[发明专利]一种基于金属纳米线和碳化钛纳米片的柔性复合透明电极及其制备方法及用途

说明书

本发明提供一种基于金属纳米线和碳化钛纳米片的柔性复合透明电极的制备方法及用途。以透明聚合物为柔性衬底，通过溶液法加工，得到两种导电材料复合的柔性透明电极。电极具有优异的光电性能，高表面平整度，好的柔韧耐弯折性能；其光电性能接近目前市售的蒸镀在玻璃上的氧化锡铟薄膜，优于市售的溅射在柔性衬底如苯二甲酸乙二醇酯上的氧化锡铟薄膜。柔性复合透明电极可应用于有机光伏器件中；碳化钛纳米片的存在扩展了电极表面实际有效的导电面积，有利于电极对激子分离产生的空穴进行收集；基于柔性复合电极制备的柔性光伏器件具有很好的耐弯折性能，经历上千次小半径弯折后器件的能量转换效率仍维持在其初始效率的80％以上。

技术领域

本发明属于纳米材料，有机半导体以及柔性光电器件领域；结合溶液加工法，以金属纳米线和新型二维材料碳化钛纳米片制备柔性透明电极；主要应用于柔性、可弯折、透明以及半透明电子器件的构建等。

背景技术

柔性电子是新兴发展的技术领域，它的出现受到全世界的广泛关注和重视，被认为可能带来下一次电子技术革命。与传统电子器件相比，柔性电子器件可以在一定程度上适用环境的变化，满足设备变形需求，因而具有更大的灵活性。柔性透明电极作为柔性电子器件中非常核心而基础的组件，因而其研究和进步对柔性电子器件的发展有着重要的推动作用。传统的ITO导电薄膜在应用于柔性器件时存在其固有的缺陷，因而多种材料相继被研究以替代ITO。例如石墨烯、碳纳米管、金属网格、金属纳米线、导电高分子等，其中金属纳米线作为其中最有前途应用的一种，受到科学家们的重视。基于金属纳米线加工制备柔性透明电极的专利目前有很多，但金属纳米线本身也存在它的不足，比如金属纳米线透明电极主要通过纳米线组成的导电网络来传导电流，在纳米线导电网络之间有很多绝缘不导电的区域。由于导电网络存在较高的孔隙率，所以金属纳米线透明电极表面的实际有效导电面积非常有限，这就限制了它在一些光电器件中的应用。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用金属纳米线作为柔性电极导电网络骨架，以高分子基材料为柔性衬底，通过将少层或者寡层碳化钛纳米片涂布到银纳米线导电网络表面，以碳化钛纳米片作为导电网络之间绝缘区域的填充弥补材料，得到高性能的柔性复合透明电极。柔性复合透明电极具有优异的光电性能、表面超平整(Ra：1.52nm、Rq：2.30nm)以及柔韧弯折性能。可以应用于柔性光伏器件中，二维材料碳化钛纳米片的引入解决了纯银纳米线电极存在的由于收集空穴能力有限导致的器件性能低下的问题，可以获得与ITO玻璃相当的能量转换效率，基于柔性复合透明电极的柔性光伏器件具有优异的弯折性能，在经历上千次小半径弯折后器件的能量转换效率仍维持在其初始效率的80％以上。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于金属纳米线与碳化钛纳米片的柔性复合透明电极，包括以下组成部分：

i.金属纳米线构建导电网格；

ii.单层或寡层碳化钛纳米片提高导电面积覆盖程度；

iii.柔性透明高分子基体提供机械强度。

进一步的，所述金属纳米线是指金、铜、镍、铂、钯、银、铝金属纳米线中的一种，或两种以及两种以上组成的合金的金属纳米线；所述金属纳米线的直径为10-100纳米，长度为20-300微米。

进一步的，所述单层或寡层碳化钛(Ti₃C₂T_x)纳米片由前过渡金属、钛或碳以及表面活性端基组成，纳米片表面含有大量活性端基包括羟基、氯、氟，单层或寡层纳米片面积大小在0.1um²到5um²之间，厚度为2-5nm之间，采用氟化氢刻蚀的方法制备。

进一步的，所述柔性高分子衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PUA)、聚醚酮(PEK)的一种或几种。